南澳多端VSC-HVDC工程直流斷路器的控制策略研究

劉 濤，董天雪，周 鵬，陳 名，許樹楷

（直流輸電技術國家重點實驗室（南方電網科學研究院有限責任公司），廣州 510663）

南澳±160 kV多端柔性直流工程是2013年底建成并投運的世界首個多端柔性直流工程[1]。該工程采用基于半橋型子模塊級聯(lián)型多電平換流器，設計有容量200 MW的塑城 （受端）、100 WM的金牛（送端）和50 WM的青澳（送端）共3個換流站[2]。該工程的主要作用是將南澳島上分散的間歇性清潔風電通過青澳站和金牛站接入，并通過塑城站送出。

1 加裝高壓直流斷路器的直流控制策略

目前，南澳三端柔性直流工程未在直流線路、匯流母線或直流極母線連接處裝設可切斷故障電流的分斷設備。如果某一直流系統(tǒng)出現(xiàn)故障，因無法隔離故障區(qū)域，只能采取三站全部停運的策略，即閉鎖三站換流閥并跳開三站聯(lián)接變進線開關。

1.1 改進策略

根據(jù)南澳現(xiàn)場情況，考慮在金牛換流站匯流母線至青澳換流站線路出口處的兩極上，各加設1臺直流斷路器[3]。其布置方案如圖1所示。

圖1 雙極安裝2臺直流斷路器方案拓撲圖Fig.1 Topology diagram of two DC circuit breakers for bipolar installation

1.2 順序控制

為了便于運行維護，直流斷路器兩側裝設了相應的隔離刀閘、接地刀閘和旁路刀閘，如圖2所示。

圖2 直流斷路器相關刀閘示意圖Fig.2 Schematic diagram of DC circuit breaker related tool brake

為方便實現(xiàn)針對直流斷路器部分刀閘的自動順序控制功能，可將直流斷路器整體劃分為斷路器本體支路和斷路器旁路支路，2個支路的順控分開設計，順控操作將正、負極作為一個整體對稱操作。在手動控制模式下，可對單極進行獨立操作，控制系統(tǒng)通過聯(lián)鎖邏輯保證設備操作的安全性。斷路器本體支路定義檢修狀態(tài)、冷備用狀態(tài)、熱備用狀態(tài)、運行狀態(tài)共4種運行狀態(tài)。不同狀態(tài)下開關刀閘的分合情況見表1。

表1 直流斷路器本體支路狀態(tài)Tab.1 DC circuit breaker status

直流斷路器旁路支路定義檢修狀態(tài)、隔離狀態(tài)和連接狀態(tài)共3種運行狀態(tài)。不同狀態(tài)下開關刀閘的分合情況見表2。

表2 旁路支路狀態(tài)Tab.2 Bypass branches status

2 青澳站在線投入

第3站在線投入[7]，是指有2個換流站已經解鎖，直流電壓抬升至額定電壓，換流站正常運行的狀態(tài)下，第3個換流站從直流側并網運行的過程。在線投入需要帶電閉合直流斷路器。

青澳站以STATCOM方式啟動，并控制直流電壓。限制d軸電流至最小值，斷路器合閘信號返回100 ms后切換至P/Q控制模式。

如果啟動過程中任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)異常，由青澳站立即閉鎖本站，斷開本站交流斷路器和直流斷路器，同時發(fā)出告警信號，終止本次在線投入順控。

如果青澳站在線投入過程中，即返回“青澳站在線投入成功狀態(tài)”之前，檢測到已投入運行的兩站中任一站出現(xiàn)故障跳閘，青澳站啟動緊急停運流程。

當塑城站以及金牛站均為非STATCOM解鎖運行，青澳站STATCOM解鎖運行時，青澳站處于極連接狀態(tài)，直流斷路器處于“熱備用”狀態(tài)且青澳站直流電壓實際值和計算值差額小于閾值。此時形成青澳站在線投入允許狀態(tài)發(fā)送給另外兩站。若已經下發(fā)青澳站在線投入指令，閉合正負極直流斷路器，系統(tǒng)級控制器檢測直流斷路器合閘過程，在3 s內，檢測到正負極直流斷路器均變?yōu)椤昂衔弧保瑒t再斷路器合閘信號返回100 ms后切換至P/Q控制模式，此時在線投入操作成功；否則判為在線投入失敗，停運青澳站，并跳開直流斷路器。

3 青澳站在線退出

青澳站在線退出，是指在3個換流站已經解鎖正常運行的狀態(tài)下，青澳換流站從直流側退出運行的過程。

當塑城站、金牛站以及青澳站均為非STATCOM解鎖運行，直流斷路器處于閉合狀態(tài)且青澳站直流電流小于閾值，此時形成青澳站在線退出允許狀態(tài)。

青澳站在線退出邏輯具體如下：青澳站降功率→閉鎖青澳站→斷開交流斷路器→斷開直流斷路器。

當青澳站接到停運指令后，按照規(guī)定速率降低有功和無功功率指令，青澳站監(jiān)測有功功率和無功功率實際值。當青澳站有功功率和無功功率值小于預設閾值后，發(fā)送指令閉鎖本站；如預定時間未檢測到青澳站有功功率和無功功率值小于預設閾值，則發(fā)送告警信號，結束退出操作。

青澳站檢測本站閉鎖狀態(tài)，若超過預設時間未能檢測到本站閉鎖成功，發(fā)告警信號。斷開青澳站交流斷路器，超過預設時間未能檢測到交流斷路器分閘成功，發(fā)告警信號。

青澳站發(fā)送分開直流斷路器指令到金牛換流站，金牛站收到青澳站分閘指令后，執(zhí)行直流斷路器分閘操作返回直流斷路器狀態(tài)到青澳站，青澳站超過預設時間未能檢測到直流斷路器分閘成功，發(fā)告警信號。

4 仿真試驗結果

4.1 青澳站在線投入仿真驗證

青澳站在線投入具體邏輯為：青澳站首先STATCOM運行→判斷青澳站直流電壓與目標值差值在定值范圍內→合直流斷路器→青澳站轉為恒功率控制PQ運行。

需明確的是，第3端在線投入時，需先解鎖青澳站并將電壓控制至額定電壓附近再合上直流斷路器。EMTDC仿真試驗在0.8 s時刻，啟動直流電壓控制（STATCOM運行模式），在0.88 s下發(fā)合直流斷路器命令，之后轉為有功功率閉環(huán)控制（PQ模式）。仿真波形如圖3所示。

圖3 青澳站在線投入仿真波形Fig.3 Simulation waveform of Qing’ao Station online investment

4.2 青澳站在線退出仿真驗證

青澳站在線退出具體邏輯如下：青澳站降功率（5 MW）→青澳站閉鎖→跳閘直流斷路器→跳閘交流斷路器。EMTDC仿真試驗2 s下發(fā)停運命令，然后降功率；在2.2252 s青澳站閉鎖，閉鎖期間直流電流為零；2.2334 s直流斷路器跳閘；2.3384 s交流斷路器跳閘。其仿真波形如圖4所示。

圖4 青澳站在線退出仿真波形Fig 4 Simulation waveform of Qing’ao Station online exit

5 建議

新增加的直流斷路器除手動操作外，還可以實現(xiàn)自動順控操作。為方便控制將直流斷路器整體劃分為斷路器本體支路和斷路器旁路支路，2個支路的順控分開設計，順控操作將正、負極作為一個整體對稱操作。在手動控制模式下，可對單極進行獨立操作，控制系統(tǒng)通過聯(lián)鎖邏輯保證設備操作的安全性。斷路器本體支路定義檢修狀態(tài)、冷備用狀態(tài)、熱備用狀態(tài)、運行狀態(tài)共4種運行狀態(tài)。

青澳站在線投入的基本流程為：青澳站首先STATCOM運行，接著判斷青澳站直流電壓與目標值差值在定值范圍內，再下發(fā)直流斷路器合閘指令，最后青澳站轉為PQ模式運行。第3端在線投入時，需先解鎖青澳站并將電壓控制至額定電壓附近再合上直流斷路器。無通訊情況下不考慮第3端在線投入。

青澳站在線退出順控的基本流程為：青澳站首先降功率至最小值后閉鎖，然后斷開交流斷路器和直流斷路器。

6 結語

針對加裝直流斷路器后的南澳三端柔性直流控制策略進行研究，針對加裝直流斷路器后直流系統(tǒng)的運行需求，給出了斷路器控制、青澳站在線投入和退出的技術方案。試驗結果顯示，青澳站成功完成閉鎖操作，且金牛站和塑城站依舊運行正常，驗證了青澳站在線退出策略的有效性和可行性。